จุลินทรีย์ในดินสามารถเร่งการสังเคราะห์ด้วยแสงได้อย่างไร

จุลินทรีย์ในดินสามารถเร่งการสังเคราะห์ด้วยแสงได้อย่างไร

ภาพระยะใกล้ที่ Kitasatospora setae แบคทีเรียที่แยกได้จากดินในญี่ปุ่น แบคทีเรียเหล่านี้แก้ไขคาร์บอน โดยเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์จากสิ่งแวดล้อมให้กลายเป็นชีวโมเลกุลที่พวกเขาต้องการเพื่อความอยู่รอด ต้องขอบคุณเอนไซม์ที่เรียกว่า ECR นักวิจัยกำลังมองหาวิธีควบคุมและปรับปรุง ECR สำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมเพื่อผลิตเชื้อเพลิง ยาปฏิชีวนะ และผลิตภัณฑ์อื่นๆ เครดิต: Y. Takahashi & Y. Iwai

พืชอาศัยกระบวนการที่เรียกว่าการตรึงคาร์บอน โดยเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศให้เป็นชีวโมเลกุลที่อุดมด้วยคาร์บอนเพื่อการดำรงอยู่จริงของพวกมัน นั่นคือจุดรวมของการสังเคราะห์ด้วยแสง และเป็นรากฐานที่สำคัญของระบบประสานกันขนาดใหญ่ที่หมุนเวียนคาร์บอนผ่านพืช สัตว์ จุลินทรีย์ และชั้นบรรยากาศเพื่อรักษาชีวิตบนโลก

แต่แชมป์การตรึงคาร์บอนไม่ใช่พืช แต่เป็นแบคทีเรียในดิน เอนไซม์จากแบคทีเรียบางชนิดมีขั้นตอนสำคัญในการตรึงคาร์บอนได้เร็วกว่าเอ็นไซม์พืชถึง 20 เท่า และการค้นหาว่าพวกมันทำได้อย่างไร สามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์พัฒนารูปแบบการสังเคราะห์ด้วยแสงสังเคราะห์เพื่อเปลี่ยนก๊าซเรือนกระจกเป็นเชื้อเพลิง ปุ๋ย ยาปฏิชีวนะ และผลิตภัณฑ์อื่นๆ

ตอนนี้ทีมนักวิจัยจาก SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology ในเยอรมนี, DOE’s Joint Genome Institute (JGI) และ University of Concepción ในชิลี ได้ค้นพบว่าเอนไซม์แบคทีเรีย ซึ่งเป็นโมเลกุล เครื่องที่เอื้อต่อปฏิกิริยาเคมี—เร่งขึ้นเพื่อทำสิ่งนี้

แทนที่จะจับโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์และยึดติดกับสารชีวโมเลกุลทีละตัว เอนไซม์นี้ประกอบด้วยโมเลกุลคู่หนึ่งที่ทำงานประสานกัน เช่น มือของนักเล่นปาหี่ที่โยนและจับลูกบอลไปพร้อม ๆ กันเพื่อให้งานเสร็จเร็วขึ้น . องค์ประกอบของเอนไซม์แต่ละตัวเปิดกว้างเพื่อจับชุดของส่วนผสมที่ทำปฏิกิริยา ขณะที่อีกตัวปิดทับส่วนผสมที่จับได้และทำปฏิกิริยาตรึงคาร์บอน จากนั้นจึงสลับบทบาทเป็นวัฏจักรต่อเนื่อง

“กาว” โมเลกุลเพียงจุดเดียวที่ยึดมือของเอนไซม์แต่ละคู่ไว้ด้วยกัน เพื่อให้สามารถสลับการเปิดและปิดในลักษณะที่ประสานกัน ทีมงานได้ค้นพบ ขณะที่การบิดตัวช่วยให้ส่วนผสมและผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปเข้าและออกจากกระเป๋าที่เกิดปฏิกิริยา แทนที่. เมื่อมีทั้งกาวและเกลียว ปฏิกิริยาการตรึงคาร์บอนจะเร็วกว่าที่ไม่มีพวกมัน 100 เท่า

โซอิจิ วาคัตสึกิ ศาสตราจารย์จาก SLAC และสแตนฟอร์ด และหนึ่งในผู้นำอาวุโสของการศึกษากล่าวว่า “เอนไซม์จากแบคทีเรียนี้เป็นตัวกักเก็บคาร์บอนที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด และเราได้คำอธิบายอย่างละเอียดว่าสามารถทำอะไรได้บ้าง” ซึ่งได้รับการตีพิมพ์ใน ACS Central Science ในสัปดาห์นี้.

“เอนไซม์บางตัวในตระกูลนี้ทำงานช้า แต่ด้วยวิธีที่เฉพาะเจาะจงมากในการผลิตเพียงผลิตภัณฑ์เดียว” เขากล่าว “ส่วนอื่นๆ เร็วกว่ามากและสามารถสร้างส่วนประกอบทางเคมีสำหรับผลิตภัณฑ์ทุกประเภท ตอนนี้เรารู้กลไกแล้ว เราจึงสามารถสร้างเอ็นไซม์ที่รวมคุณสมบัติที่ดีที่สุดของทั้งสองวิธีเข้าด้วยกัน และทำงานได้อย่างรวดเร็วด้วยวัสดุตั้งต้นทุกประเภท”

ปรับปรุงธรรมชาติ

เอนไซม์ที่ทีมศึกษาเป็นส่วนหนึ่งของครอบครัวที่เรียกว่า enoyl-CoA carboxylases/reductases หรือ ECRs มาจากแบคทีเรียในดินที่เรียกว่า Kitasatospora setae ซึ่งนอกจากทักษะการตรึงคาร์บอนแล้ว ยังสามารถผลิตยาปฏิชีวนะได้อีกด้วย

Wakatsuki ได้ยินเกี่ยวกับตระกูลเอนไซม์นี้เมื่อครึ่งสิบปีที่แล้วจาก Tobias Erb จากสถาบัน Max Planck สำหรับจุลชีววิทยาภาคพื้นดินในเยอรมนีและ Yasuo Yoshikuni จาก JGI ทีมวิจัยของ Erb กำลังทำงานเพื่อพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมเพื่อแปลงคาร์บอนไดออกไซด์ (CO .)2) จากบรรยากาศสู่ผลิตภัณฑ์ทุกประเภท







ภาพเคลื่อนไหวนี้แสดงโมเลกุลที่จับคู่กันสองตัว (สีน้ำเงินและสีขาว) ภายในเอนไซม์ ECR ซึ่งทำหน้าที่ตรึงคาร์บอนในจุลินทรีย์ในดิน พวกเขาทำงานร่วมกัน เช่น มือของนักเล่นปาหี่ที่โยนและจับลูกบอลไปพร้อม ๆ กัน เพื่อให้งานเสร็จเร็วขึ้น สมาชิกตัวหนึ่งของเอนไซม์แต่ละคู่เปิดกว้างเพื่อจับชุดของส่วนผสมที่ทำปฏิกิริยา (แสดงมาจากด้านบนและด้านล่าง) ในขณะที่อีกตัวปิดเหนือส่วนผสมที่จับได้และทำปฏิกิริยาการตรึงคาร์บอน จากนั้นจึงสลับบทบาทเป็นวัฏจักรต่อเนื่อง นักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามควบคุมและปรับปรุงปฏิกิริยาเหล่านี้สำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงเทียมเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ที่หลากหลาย เครดิต: H. DeMirci et al

Erb กล่าวว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงมีความสำคัญต่อการดำรงชีวิตบนโลก เช่นเดียวกับการสังเคราะห์ด้วยแสง แต่ก็ไม่ได้มีประสิทธิภาพมากนัก เช่นเดียวกับทุกสิ่งที่ก่อตัวขึ้นโดยวิวัฒนาการเหนือยุคสมัย เป็นสิ่งที่ดีเท่าที่ควร เป็นผลมาจากการพัฒนาครั้งก่อนอย่างช้าๆ แต่ไม่เคยประดิษฐ์สิ่งใหม่ทั้งหมดตั้งแต่เริ่มต้น

ยิ่งไปกว่านั้น เขากล่าวถึงขั้นตอนในการสังเคราะห์แสงตามธรรมชาติที่แก้ไขCO2 จากอากาศซึ่งอาศัยเอนไซม์ที่เรียกว่า Rubisco เป็นคอขวดที่ทำให้ปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงทั้งสายลดลง ดังนั้น การใช้เอ็นไซม์ ECR ที่รวดเร็วในการดำเนินการตามขั้นตอนนี้ และวิศวกรรมให้ทำงานเร็วยิ่งขึ้นไปอีก อาจเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมาก

“เราไม่ได้พยายามสร้างสำเนาคาร์บอนของการสังเคราะห์ด้วยแสง” Erb อธิบาย “เราต้องการออกแบบกระบวนการที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยใช้ความเข้าใจด้านวิศวกรรมเพื่อสร้างแนวความคิดเกี่ยวกับธรรมชาติขึ้นมาใหม่ ‘การสังเคราะห์ด้วยแสง 2.0’ นี้อาจเกิดขึ้นในระบบที่มีชีวิตหรือระบบสังเคราะห์ เช่น คลอโรพลาสต์เทียม—หยดน้ำที่ห้อยอยู่ในน้ำมัน”

ภาพเหมือนของเอนไซม์

Wakatsuki และกลุ่มของเขาได้ทำการศึกษาระบบที่เกี่ยวข้องกัน การตรึงไนโตรเจน ซึ่งเปลี่ยนก๊าซไนโตรเจนจากชั้นบรรยากาศให้เป็นสารประกอบที่สิ่งมีชีวิตต้องการ ทึ่งกับคำถามที่ว่าทำไมเอนไซม์ ECR ถึงเร็วมาก เขาจึงเริ่มร่วมมือกับกลุ่มของ Erb เพื่อค้นหาคำตอบ

Hasan DeMirci ผู้ร่วมงานวิจัยในกลุ่มของ Wakatsuki ซึ่งปัจจุบันเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ Koc University และผู้ตรวจสอบกับ Stanford PULSE Institute เป็นผู้นำความพยายามที่ SLAC ด้วยความช่วยเหลือจากการฝึกงานภาคฤดูร้อนของ SLAC กว่าครึ่งโหลที่เขาดูแล “เราฝึกพวกเขาหกหรือเจ็ดคนทุกปี และพวกเขาไม่กลัว” เขากล่าว “พวกเขามาด้วยใจที่เปิดกว้าง พร้อมที่จะเรียนรู้ และพวกเขาก็ทำสิ่งที่น่าอัศจรรย์”

ทีม SLAC ได้ทำตัวอย่างเอนไซม์ ECR และตกผลึกเพื่อตรวจด้วยรังสีเอกซ์ที่ Advanced Photon Source ที่ Argonne National Laboratory ของ DOE รังสีเอกซ์เผยให้เห็นโครงสร้างโมเลกุลของเอ็นไซม์—การจัดเรียงตัวของโครงสร้างอะตอม—ทั้งในตัวของมันเองและเมื่อติดอยู่กับโมเลกุลตัวช่วยขนาดเล็กที่เอื้อต่อการทำงานของมัน

การศึกษาเอ็กซ์เรย์เพิ่มเติมที่ Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) ของ SLAC แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างของเอนไซม์เปลี่ยนไปอย่างไรเมื่อยึดติดกับพื้นผิว ซึ่งเป็นโต๊ะทำงานระดับโมเลกุลที่ประกอบส่วนผสมสำหรับปฏิกิริยาการตรึงคาร์บอนและกระตุ้นปฏิกิริยาไปพร้อมกัน

สุดท้าย ทีมนักวิจัยจาก Linac Coherent Light Source (LCLS) ของ SLAC ได้ทำการศึกษารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเอนไซม์และสารตั้งต้นของเอนไซม์ที่เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ SACLA ของญี่ปุ่น การเลือกเลเซอร์เอ็กซ์เรย์มีความสำคัญเนื่องจากช่วยให้พวกเขาศึกษาพฤติกรรมของเอนไซม์ที่อุณหภูมิห้องได้ใกล้เคียงกับสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติมากขึ้น โดยแทบไม่ได้รับความเสียหายจากรังสีเลย

ในขณะเดียวกัน กลุ่มของ Erb ในเยอรมนีและรองศาสตราจารย์ Esteban Vöhringer-Martinez ที่มหาวิทยาลัย Concepción ในชิลี ได้ทำการศึกษาทางชีวเคมีโดยละเอียดและการจำลองแบบไดนามิกที่ครอบคลุมเพื่อให้เข้าใจถึงข้อมูลโครงสร้างที่ Wakatsuki และทีมของเขาเก็บรวบรวม

จุลินทรีย์ในดินสามารถเร่งการสังเคราะห์ด้วยแสงได้อย่างไร

การแสดงภาพของ ECR ซึ่งเป็นเอ็นไซม์ที่พบในแบคทีเรียในดิน แสดงให้เห็นโมเลกุลที่เหมือนกันสี่โมเลกุลในสีที่ต่างกัน โมเลกุลเหล่านี้ทำงานร่วมกันเป็นคู่—สีน้ำเงินกับสีขาวและสีเขียวกับสีส้ม—เพื่อเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์จากสิ่งแวดล้อมของจุลินทรีย์ให้กลายเป็นชีวโมเลกุลที่จำเป็นต่อการอยู่รอด การศึกษาใหม่แสดงให้เห็นว่าจุดกาวโมเลกุลและการแกว่งและบิดในเวลาที่เหมาะสมช่วยให้คู่เหล่านี้สามารถซิงค์การเคลื่อนไหวของพวกเขาและแก้ไขคาร์บอนได้เร็วกว่าเอนไซม์พืช 20 เท่าในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง เครดิต: H. DeMirci et al

การจำลองเผยให้เห็นว่าการเปิดและปิดของสองส่วนของเอนไซม์นั้นไม่เพียงแค่เกี่ยวข้องกับกาวโมเลกุลเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการบิดหมุนรอบแกนกลางของคู่ของเอนไซม์แต่ละคู่ Wakatsuki กล่าว

“การบิดนี้เกือบจะเหมือนกับวงล้อที่สามารถผลักผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปออกมาหรือดึงส่วนผสมชุดใหม่เข้าไปในกระเป๋าที่เกิดปฏิกิริยาได้” เขากล่าว การบิดตัวและการซิงโครไนซ์ของเอนไซม์คู่ช่วยให้สามารถตรึงคาร์บอนได้ 100 ครั้งต่อวินาที

ตระกูลเอนไซม์ ECR ยังรวมถึงสาขาที่หลากหลายมากขึ้น ซึ่งสามารถโต้ตอบกับชีวโมเลกุลหลายชนิดเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์ที่หลากหลาย แต่เนื่องจากกาวโมเลกุลไม่ได้ยึดติดกัน พวกมันจึงไม่สามารถประสานการเคลื่อนไหวได้จึงทำงานช้ากว่ามาก

Wakatsuki กล่าวว่า “ถ้าเราสามารถเพิ่มอัตราของปฏิกิริยาที่ซับซ้อนเหล่านั้นเพื่อสร้างชีวโมเลกุลใหม่” Wakatsuki กล่าว “นั่นจะเป็นการก้าวกระโดดที่สำคัญในสนาม”

จากภาพนิ่งไปจนถึงภาพเคลื่อนไหวที่ลื่นไหล

จนถึงตอนนี้ การทดลองได้สร้างภาพรวมคงที่ของเอนไซม์ ส่วนผสมของปฏิกิริยา และผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายในรูปแบบต่างๆ

“การทดลองในฝันของเรา” Wakatsuki กล่าว “จะเป็นการรวมส่วนผสมทั้งหมดขณะที่ไหลเข้าสู่เส้นทางของลำแสงเลเซอร์เอ็กซ์เรย์ เพื่อให้เราสามารถดูปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นแบบเรียลไทม์”

ทีมงานได้ลองทำที่ SACLA แล้ว แต่เขาก็ไม่ได้ผล “เดอะ CO2 โมเลกุลมีขนาดเล็กมาก และพวกมันเคลื่อนที่เร็วมากจนจับช่วงเวลาที่พวกมันเกาะติดกับพื้นผิวได้ยาก” เขากล่าว “นอกจากนี้ ลำแสงเลเซอร์เอ็กซ์เรย์ยังแรงมากจนเราไม่สามารถเก็บส่วนผสมไว้ได้นาน เพียงพอสำหรับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น เมื่อเรากดดันอย่างหนักเพื่อทำสิ่งนี้ เราก็สามารถทำลายคริสตัลได้”

เขาเสริมว่าการอัปเกรดพลังงานสูงเป็น LCLS มีแนวโน้มว่าจะแก้ปัญหานั้นได้ โดยมีพัลส์ที่ส่งถึงบ่อยกว่ามาก—ล้านครั้งต่อวินาที—และสามารถปรับทีละตัวเพื่อให้มีความแข็งแกร่งในอุดมคติสำหรับแต่ละตัวอย่าง

Wakatsuki กล่าวว่าทีมของเขายังคงร่วมมือกับกลุ่มของ Erb และกำลังทำงานร่วมกับกลุ่มจัดส่งตัวอย่าง LCLS และกับนักวิจัยที่โรงงาน SLAC-Stanford cryogenic electron microscopy (cryo-EM) เพื่อหาแนวทางที่จะทำให้วิธีนี้ใช้ได้ผล


ประจุที่เท่ากันในเอนไซม์ควบคุมปฏิกิริยาทางชีวเคมีอย่างไร


ข้อมูลมากกว่านี้:
Hasan DeMirci et al, Intersubunit Coupling ช่วยให้ CO . รวดเร็ว2– การตรึงด้วยรีดักทีฟคาร์บอกซิเลส ACS Central Science (2022). ดอย: 10.1021/acscentsci.2c00057

ให้บริการโดย SLAC National Accelerator Laboratory

การอ้างอิง: จุลินทรีย์ในดินสามารถเร่งกระบวนการสังเคราะห์แสงได้อย่างไร (2022, 29 เมษายน) สืบค้นเมื่อ 29 เมษายน 2565 จาก https://phys.org/news/2022-04-soil-microbe-rev-artificial-photosynthesis.html

เอกสารนี้อยู่ภายใต้ลิขสิทธิ์ นอกเหนือจากข้อตกลงที่เป็นธรรมเพื่อการศึกษาหรือการวิจัยส่วนตัวแล้ว ห้ามทำซ้ำส่วนหนึ่งส่วนใดโดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลเท่านั้น

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*